光束整形裝置制造方法
【專利摘要】光束整形裝置(10A)具有：第一相位調制部(12)，其由相位調制型的SLM構成，表示用于調制入射光(P1)的相位的第一相位圖案；第二相位調制部(14)，其由相位調制型的SLM構成，與第一相位調制部(12)光學結合，用于進一步調制被第一相位調制部(12)相位調制后的光(P2)的相位的第二相位圖案；控制部(16)，其將第一、第二相位圖案各個賦給第一、第二相位調制部(12、14)各個。第一、第二相位圖案是用于使從第二相位調制部(14)輸出的光(P3)的強度分布和相位分布接近于規(guī)定分布的相位圖案。
【專利說明】光束整形裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種光束整形裝置。
【背景技術】
[0002]非專利文獻1、2中記載了為了進行噪聲少的全息照射而使用空間光調制元件的方法。在該方法中，通過將一個空間光調制元件配置在傅立葉面，從而分別獨立地控制光的振幅和相位分布。
[0003]現(xiàn)有技術文獻
[0004]非專利文獻
[0005]非專利文獻 I:A.Jesacher et al., “Near-perfect hologram reconstruct1nwith aspatial light modulator”，Optics Express, Vol.16, N0.4, pp.2597-2603(2008)
[0006]非專利文獻2:A.Jesacher et al., “Full phase and amplitude control ofholographicoptical tweezers with high efficiency，，，Optics Express, Vol.16, N0.7, pp.4479-4486(2008)。
【發(fā)明內容】
[0007]發(fā)明所要解決的技術問題
[0008]以往，作為將例如具有按照高斯分布的強度分布的入射光變換成具有平頂(top-hat)狀的強度分布的光的裝置，已知的有均化器。均化器由通過蝕刻處理寫入了相位圖案的2塊玻璃(透鏡)構成。但是，在這樣的結構中，難以任意地變更輸出光的強度分布。
[0009]因此，考慮到可以通過電信號來任意地變更相位圖案的空間光調制元件的利用。特別地，在要抑制光損失的情況下，相位調制型的空間光調制元件是合適的。但是，由于相位調制型的空間光調制元件單獨不能進行強度調制，因此入射光的強度分布照原樣地成為輸出光的強度分布。因此，例如將具有按照高斯分布的強度分布的入射光變換成截面為四角形狀且具有平頂狀的強度分布的光，或者將截面為圓形狀且具有平頂狀的強度分布的入射光變換成截面為四角形狀且具有平頂狀的強度分布的光的這樣的向任意截面形狀和強度分布的光的變換極難。
[0010]本發(fā)明是有鑒于上述問題點而完成的發(fā)明，其目的在于提供一種能夠向任意截面形狀和強度分布的光的變換的光束整形裝置。
[0011]解決技術問題的手段
[0012]為了解決上述的技術問題，本發(fā)明的光束整形裝置，其特征在于，具備:第一相位調制部，其由相位調制型的空間光調制元件構成，表示用于調制入射光的相位的第一相位圖案；第二相位調制部，其由相位調制型的空間光調制元件構成，與第一相位調制部光學結合，表示用于進一步調制被第一相位調制部相位調制后的光的相位的第二相位圖案；控制部，其將第一相位圖案和第二相位圖案各個賦給向第一相位調制部和第二相位調制部各個，第一相位圖案和第二相位圖案是使從第二相位調制部輸出的光的強度分布和相位分布接近于規(guī)定分布的相位圖案。
[0013]在該光束整形裝置中，由相位調制型的空間光調制元件分別構成的第一相位調制部與第二相位調制部光學結合，入射光入射到第一相位調制部，出射光從第二相位調制部取出。然后，在第一相位調制部中，表示由例如賦予規(guī)定的強度分布的第一相位圖案，具有規(guī)定的強度分布的光入射到第二相位調制部。此時，例如規(guī)定的相位分布賦給第二相位調制部。由此，能夠得到具有任意截面形狀和強度分布的輸出光。如此，通過使用相位調制型的2個空間光調制元件，從而不僅可以任意地控制相位分布，還可以任意地控制強度分布。即，根據(jù)該光束整形裝置，向任意的(動態(tài)的)截面形狀和強度分布的光的變換變得可能。
[0014]發(fā)明的效果
[0015]根據(jù)本發(fā)明所涉及的光束整形裝置，向任意截面形狀和強度分布的光的變換變得可能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是表示第I實施方式所涉及的光束整形裝置的結構的圖。
[0017]圖2是表示包含光束整形裝置的光學系統(tǒng)的一個例子的圖。
[0018]圖3是表示入射到第二相位調制部的光的強度分布的例子的圖。
[0019]圖4是表示賦給第二相位調制部的第二相位圖案的例子的圖。
[0020]圖5是表示與出射光的光軸方向正交的截面的形狀的例子的圖。
[0021]圖6是表示第2變形例的結構的圖。
[0022]圖7是表不TIRF顯微鏡所使用的光學系統(tǒng)的例子的圖。
[0023]圖8 (a)是表不現(xiàn)有的TIRF顯微鏡中的激發(fā)光的例子的圖，概略地表不從光軸方向觀察物鏡的出射光瞳的狀態(tài)的圖，圖8(b)是表示第3變形例中的激發(fā)光的狀態(tài)的圖，概略地表示從光軸方向觀察物鏡的出射光瞳的狀態(tài)的圖。
[0024]圖9是表示入射到第二相位調制部的光的強度分布的例子的圖。
[0025]圖10是表示賦給第二相位調制部的第二相位圖案的例子的圖。
[0026]圖11是表示第2實施方式所涉及的光束整形裝置的結構的圖。
[0027]圖12是表示第2實施方式所涉及的光束整形裝置的一個變形例的結構的圖。
[0028]圖13是表示第2實施方式所涉及的光束整形裝置的別的變形例的結構的圖。
[0029]符號的說明:
[0030]1A?1D…光束整形裝置、12，22…第一相位調制部、14，24…第二相位調制部、16...控制部、18...透鏡、26...控制部、28...激光光源、30...反射型空間光調制元件、30b…第一相位調制部、30c…第二相位調制部、32…空間濾波器、34...準直透鏡、36a?36e…反射鏡、40，42…物鏡、42a…出射光瞳、50，60…光學系統(tǒng)、A…光軸、B…對象物、EX…激發(fā)光、Pr..入射光、P2…光、P3…出射光。
【具體實施方式】
[0031]以下，一邊參照附圖一邊詳細說明本發(fā)明所涉及的變焦透鏡的實施方式。另外，在【專利附圖】
【附圖說明】中，對相同的要素賦予相同的符號，省略重復的說明。
[0032](第I實施方式)
[0033]圖1是表示本發(fā)明的第I實施方式所涉及的光束整形裝置1A的結構的圖。本實施方式的光束整形裝置1A具備第一相位調制部12、第二相位調制部14和控制部16。第一相位調制部12和第二相位調制部14在沿著輸入到光束整形裝置1A的入射光的光軸A的方向上并列配置，第二相位調制部14與第一相位調制部12光學結合。另外，如后述的別的實施方式中所述，透鏡、反射鏡等光學部件可以介于第一相位調制部12與第二相位調制部14之間。
[0034]在該光束整形裝置1A中，第一相位調制部12表示用于調制入射光P1的相位的第一相位圖案。另外，第二相位調制部14表示用于進一步調制被第一相位調制部12相位調制后的光P2的相位的第二相位圖案。第一相位圖案和第二相位圖案是用于使從第二相位調制部14輸出的光P3的強度分布和相位分布接近于規(guī)定(所期望)的分布的相位圖案。
[0035]入射光P1例如是平行光，從第一相位調制部12的前面(與第二相位調制部14相對的面的相反側的面)入射。然后，該入射光P1被第一相位調制部12和第二相位調制部14變換成任意截面形狀的光P3,從第二相位調制部14的背面(與第一相位調制部12相對的面的相反側的面)輸出光P3。還有，與入射光P1的光軸正交的截面典型地是圓形，入射光？工的強度分布典型地是高斯分布。
[0036]第一相位調制部12由空間光調制元件(SLM ;Spatial Light Modulator)構成。另夕卜，第二相位調制部14也同樣由空間光調制元件構成。第一相位調制部12和第二相位調制部14所使用的空間光調制元件有相位調制型的空間光調制元件例如折射率變化材料型SLM(例如使用液晶的物質中，LC0S(Liquid Crystal on Silicon)型、LCD (Liquid CrystalDisplay)等)、分段反射鏡(Segment Mirror)型SLM、連續(xù)形狀可變鏡(ContinuousDeformable Mirror)型SLM等。折射率變化材料型SLM、扇形反射鏡型SLM和連續(xù)形狀可變鏡型SLM通過電壓、電流或寫入光的施加賦予各種透鏡圖案，由此作為具有任意焦點距離的透鏡發(fā)揮功能。另外，在本實施方式中，例示了透射型的空間光調制元件，但空間光調制元件也可以是反射型。
[0037]還有，在本實施方式的光束整形裝置10A中，第一相位調制部12與第二相位調制部14的距離L1不變，第一相位調制部12和第二相位調制部14的位置相對于設置在后段的光學部件(未圖不)被相對固定。
[0038]控制部16將第一相位圖案賦給第一相位調制部12，將第二相位圖案賦給第二相位調制部14。具體而言，控制部16將用于驅動空間光調制元件的各像素的電信號(相位圖案)提供給第一相位調制部12和第二相位調制部14。在光束整形裝置10A中，通過這樣控制部16動態(tài)地變更第一相位調制部12和第二相位調制部14的相位圖案，從而入射到第二相位調制部14的光P2的強度分布發(fā)生變化，并且從光束整形裝置10A出射的光P3的強度和相位分布被任意調制。另外，控制部16可以配置在容納有第一相位調制部12和第二相位調制部14的筐體內，或者可以配置在筐體的外部。
[0039]以下，就控制部16分別賦給第一相位調制部12和第二相位調制部14的第一相位圖案和第二相位圖案的制作方法的具體例進行說明。
[0040]首先，為了求出第一相位調制部12中應該表示的相位分布Φ i，取得關于入射到第一相位調制部12的光P1的強度分布Ilin(振幅分布Alin)的信息。還有，振幅分布Alin與光P1的強度分布Ilin有如下數(shù)學式(I)所示的關系。
[0041][數(shù)學式I]
[0042]Ilin= IA1J2...(I)
[0043]接著，設定應該入射到第二相位調制部14的光P2的強度分布I2in(振幅分布A2in)。然后，得到強度分布Ilin和I2in(振幅分布Alin和A2in)之后，使用例如GS(Gerchberg&Saxton)法、OC法等迭代傅立葉法或者ORA(Optimal Rotat1n Angle)法這樣的CGH(ComputerGenerated Hologram)設計法,來求出包含第一相位調制部12應該表示的相位分布(J)1的第一相位圖案。通過第一相位調制部12表不這樣的第一相位圖案,從而在與第一相位調制部12僅離開距離L1的第二相位調制部14，會入射有具有所期望的強度分布I2in(振幅分布A2in)的光P2。另外，到達第二相位調制部14的光P2的相位分布Φ2?η由第一相位調制部12中的相位調制和從第一相位調制部12的傳播過程決定。該相位分布Φ2?η通過模擬光P2的傳播狀態(tài)來求得。
[0044]接著，為了求出包含第二相位調制部14應該表示的相位分布Φ2的第二相位圖案，設定目標圖案Atgt。這里，目標圖案是指從光束整形裝置10A輸出的光P3通過被配置在光束整形裝置10A的后段的透鏡傅立葉變換而再生的I個以上的聚光點的分布。另外，設定入射到第二相位調制部14的光P2的強度分布I2in(振幅分布A2in)。這樣設定目標圖案Atgt和振幅分布A2in之后，使用例如GS法、OC法這樣的迭代傅立葉法、或者例如ORA法這樣的CGH設計法來求得包含第二相位調制部14應該表示的相位分布Φ2的第二相位圖案。此時，例如入射到第二相位調制部14的光P2為平面波的情況下，可以求得包含第二相位調制部14應該表示的相位分布Φ2的第二相位圖案。其中，實際上被第一相位調制部12相位調制并傳播的光匕入射到第二相位調制部14時，其相位分布Φ2?η不是平面波。因此，通過進行如下數(shù)學式(2)所示的處理，可以求得包含第二相位調制部14應該表示的相位分布Φ2的第二相位圖案。
[0045][數(shù)學式2]
[0046]Φ 2 = Φ 2_out- Φ 2 in...⑵
[0047]在該數(shù)學式(2)所示的處理中，利用第二相位調制部14抵消光P2的相位分布Φ2?η并且增加更新的相位圖案。
[0048]還有，求出第一相位調制部12應該表示的第一相位圖案時，也可以進行與上述同樣的處理。即，入射到第一相位調制部12的光P1的相位分布Φπη不是平面波時，可以通過如下數(shù)學式(3)求得第一相位調制部12中表不的第一相位圖案的相位分布Φρ
[0049][數(shù)學式3]
[0050]Φ 丄=Φ Lout- Φ l in...(3)
[0051]另外，第一相位調制部12中表示的第一相位圖案可以是具有透鏡效果的相位圖案。而且，在第一相位圖案具有透鏡效果的情況下，其透鏡效果的焦點距離f不等于第一相位調制部12與第二相位調制部14的距離L1，優(yōu)選比距離L1長或者短。原因在于，如果焦點距離f與距離L1相互相等，則光P2的聚光點與第二相位調制部14重疊，因而有對第二相位調制部14的動作產生影響的擔憂。通過焦點距離f比距離L1長或短，從而光P2的聚光點落到第二相位調制部14外，能夠適當?shù)厥沟诙辔徽{制部14動作。
[0052]通過控制部16將由以上的方法制作的第一相位圖案和第二相位圖案分別賦給第一相位調制部12和第二相位調制部14，從而能夠使第一相位調制部12表示適當?shù)南辔粓D案，使入射到第二相位調制部14的光P2的強度分布發(fā)生變化，并且能夠使從第二相位調制部14輸出的光P3的強度分布和相位分布接近于所期望的形狀。
[0053]另外，根據(jù)該光束整形裝置10A，也能夠提高入射光P1與出力光P3之比即光利用效率。例如，在使用LCD等的強度遮光板作為第一相位調制部12的情況下，容易進行強度分布的調整，但根據(jù)入射光P1的強度分布與光P2的強度分布的關系，有時光利用效率變得極低。相對于此，在光束整形裝置1A中，由于第一相位調制部12由空間光調制元件構成，僅變更入射光P1的相位分布，因此能夠有效地抑制光利用效率的降低。
[0054]這里，就具有本實施方式所涉及的光束整形裝置1A的光學系統(tǒng)的具體例進行說明。一般而言，入射到透鏡的光的強度分布對通過透鏡的光的聚光點的形狀產生影響。例如，在入射到透鏡的光的強度分布為均勻的平頂狀的情況下，在聚光點顯現(xiàn)艾里圖案。另夕卜，在入射到透鏡的光的強度分布為高斯分布的情況下，在聚光點顯現(xiàn)高斯形狀的聚光像。如此，通過主動地變更入射到透鏡的光的強度分布，從而能夠得到各種形狀的聚光點。再者，這樣的特殊形狀的聚光點在激光加工、激光顯微鏡等用途中可能是有用的。
[0055]圖2是表示包含光束整形裝置1A的光學系統(tǒng)的一個例子的圖。圖2所示的光學系統(tǒng)50具備光束整形裝置10A、激光光源28、空間濾波器32、準直透鏡34和物鏡40。
[0056]在第一相位調制部12輸入有入射光P115入射光P1能夠通過如下方式適當?shù)厣?例如從激光光源28出射的激光通過空間濾波器32的聚光透鏡32a和針孔32b而除去波前噪聲或者失真之后，通過準直透鏡34而被平行化。還有，光學系統(tǒng)50可以具備將從激光光源28出射的激光擴徑(或縮徑)的光束擴展器來替代空間濾波器32。
[0057]然后，該入射光P1的強度分布和相位分布被第一相位調制部12和第二相位調制部14任意地變更，從第二相位調制部14的背面(與第一相位調制部12相對的面的相反側的面)，輸出出射光P3。出射光P3入射到物鏡40的出射光瞳，在物鏡40中被聚光。另外，在聚光點上配置有觀察或者加工等的對象物B。
[0058]在這樣的光學系統(tǒng)50中，如果例如像上述的實施例那樣將相位圖案賦給第一相位調制部12和第二相位調制部14，則在出射光P3的聚光點能夠得到任意的聚光形狀。例如，考慮到:在第一相位調制部12中，具有高斯分布狀的強度分布的入射光P1被第一相位圖案調制，圖3所示的強度分布的光P2入射到第二相位調制部14的情況。此時，如果將圖4所示的相位圖案賦給第二相位調制部14作為第二相位圖案，則能夠使與聚光點中的光P3的光軸方向正交的截面形狀成為圖5所示的多角形狀(例如三角形狀)。此外，能夠使該截面中的光P3的強度分布為平頂狀。
[0059]具有這樣的任意形狀和強度分布的聚光點的形成，例如在加工領域中使對象物的面的高速加工變得可能，而且在顯微觀察領域中使面狀地光刺激對象物的特定的地方變得可能。
[0060]還有，在圖2所示的光學系統(tǒng)50中，只要設置至少光源28、光束整形裝置1A和物鏡40即可，也可以考慮其他各種變形。例如，可以附設用于加工狀態(tài)或者顯微觀察的觀察單元，也可以進一步設置用于移動或旋轉對象物的基臺。
[0061](第I變形例)
[0062]在上述的實施方式中，從光束整形裝置1A輸出的光P3被物鏡40聚光，但也可以省略物鏡40。即，替代物鏡40，而第二相位調制部14所表示的第二相位圖案可以包含具有用于使光P3成為會聚光的聚光透鏡效果的相位圖案。通過這樣的結構，能夠將光P3適當?shù)鼐酃??；蛘?，根?jù)需要，第二相位圖案也可以包含用于使光P3成為擴散光的相位圖案。
[0063](第2變形例)
[0064]圖6是表示上述的實施方式的第2變形例的結構的圖。本變形例所涉及的光束整形裝置1B與上述實施方式的光束整形裝置1A同樣地具備第一相位調制部12、第二相位調制部14和控制部16。再者，本變形例所涉及的光束整形裝置1B還具有透鏡18。
[0065]透鏡18配置在第一相位調制部12與第二相位調制部14之間，將從第一相位調制部12出射的光P2聚光(或擴散)并提供給第二相位調制部14。雖然空間光調制元件能夠實現(xiàn)的透鏡的焦點距離存在下限，但如本變形例所述通過組合透鏡18可以超過那樣的下限來設定焦點距離。
[0066]另外，該情況下，第二相位調制部14中表示的第二相位圖案所包含的透鏡效果的焦點距離f可以與距離L1相同，但將第一相位調制部12的第一相位圖案所包含的透鏡效果與透鏡18合成的焦點距離優(yōu)選與距離L1不同(比距離L1長或短)。由此，在加工領域、顯微鏡用途等中，即使在使用大功率的激光的情況下，在空間光調制元件中也能夠避免激光被聚光，能夠維持空間光調制元件的適當動作。
[0067](第3變形例)
[0068]控制部16分別賦給第一相位調制部12和第二相位調制部14的第一相位圖案和第二相位圖案，可以替代上述的實施方式的方法而由以下的方法制作。
[0069]首先，為了求出第一相位調制部12中應該表示的相位分布，取得關于入射到第一相位調制部12的光P1的強度分布Ilin(振幅分布Alin)的信息。接著，設定應該入射到第二相位調制部14的光P2的強度分布I2in (振幅分布A2in)。然后，得到強度分布Ilin和I2in(振幅分布Alin和A2in)之后，使用例如GS法或者OC法這樣的迭代傅立葉法或ORA法這樣的CGH設計法,求出包含第一相位調制部12應該表不的相位分布(J)1的第一相位圖案。
[0070]還有，在入射到第一相位調制部12的光P1的相位分布ΦΠη為平面波的情況下，Φ! = Φ lout ( Φ lout為從第一相位調制部12出射的光P2的相位圖案)，但在相位分布Φ lin不是平面波時，第一相位調制部12中表示的第一相位圖案的相位分布Ct1可以由如下數(shù)學式
(4)求得。[數(shù)學式4]
[0071]φι = Φ l out- Φ l in...(4)
[0072]通過這樣地第一相位調制部12表示第一相位圖案，從而在與第一相位調制部12僅分離距離L1的第二相位調制部14，入射具有所期望的強度分布I2in(振幅分布A2in)的光P20還有，入射到第二相位調制部14的光P2的相位分布Φ2?η由第一相位調制部12中的相位調制和從第一相位調制部12的傳播過程決定。該相位分布Φ2?η通過模擬光P2的傳播狀態(tài)來求得。
[0073]接著，求出包含第二相位調制部14應該表示的相位分布Φ2的第二相位圖案。在本變形例中，求出包含用于使從第二相位調制部14輸出的光P3成為平行光的相位圖案那樣的第二相位圖案。例如，為了使從第二相位調制部14出射的光P3成為平行光且為平面波，使相位分布Φ2成為入射到第二相位調制部14的光的相位分布Φ2?η的反相位分布。即，由如下數(shù)學式(5)求出相位分布Φ2。
[0074][數(shù)學式5]
[0075]φ 2 = - φ 2—in...(5)
[0076]這里，作為具有本變形例所涉及的光束整形裝置的光學系統(tǒng)的具體例，就被稱為TIRF(Total Internal Reflect1n Fluorescence:全內反射突光)顯微鏡的使超高 NA 且高倍率的物鏡來成像的方法進行說明。TIRF顯微鏡是使激光全反射而產生漸逝場從而使熒光激發(fā)的顯微鏡。圖7是表示TIRF顯微鏡所使用的光學系統(tǒng)的例子的圖。如圖7所示，該光學系統(tǒng)60具備光束整形裝置1A和TIRF顯微鏡用的物鏡42。還有，在光束整形裝置1A的前段，與圖2所示的光學系統(tǒng)50同樣地配置有激光光源28、空間濾波器32 (或光束擴展器)和準直透鏡34。另外，該光學系統(tǒng)60為激發(fā)光側的光學系統(tǒng)，但也可以兼具用于觀察熒光等的觀察側的光學系統(tǒng)。
[0077]在該光學系統(tǒng)60中，入射光P1的強度分布和相位分布被第一相位調制部12和第二相位調制部14任意地變更，從第二相位調制部14的背面輸出出射光P3。出射光P3入射到物鏡42的出射光瞳42a，被物鏡42聚光。此時，與出射光P3的光軸方向正交的截面的形狀為環(huán)狀，可以以入射到物鏡42的出射光瞳42a的邊緣部附近的方式設定第一相位圖案和第二相位圖案。
[0078]這里，圖8 (a)是表示現(xiàn)有的TIRF顯微鏡中的激發(fā)光的例子的圖，概略地表示從光軸方向觀察物鏡42的出射光瞳42a的狀態(tài)。另外，圖8(b)是表示本變形例中的激發(fā)光的狀態(tài)的圖，概略地表示從光軸方向觀察物鏡42的出射光瞳42a的狀態(tài)。
[0079]如圖8(a)所示，在現(xiàn)有的TIRF顯微鏡中，使激發(fā)光EX入射到物鏡42的出射光瞳42a的邊緣部附近的一部分的點。相對于此，在本變形例中，如圖8(b)所示，可以將沿著物鏡42的出射光瞳42a的邊緣部整體的環(huán)狀的平行光作為激發(fā)光EX而入射到物鏡42。通過將激發(fā)光EX的形狀這樣地整形，從而能夠更有效地產生用于激發(fā)熒光的漸逝場。
[0080]為了從光束整形裝置1A輸出這樣的環(huán)狀的激發(fā)光EX，利用第一相位調制部12來調制具有高斯分布的強度分布的入射光P1，例如使具有圖9那樣的強度分布的光P2入射到第二相位調制部14。然后，將圖10所示的那樣相位圖案賦給第二相位調制部14作為第二相位圖案。由此，保持圖9所示的強度分布的平行光P3從第二相位調制部14輸出。還有，在僅使用I個空間光調制元件的情況下，能夠制作具有圖9所示的環(huán)狀的強度分布的光，但是不作為平行光輸出。
[0081]另外，在上述中就制造具有環(huán)狀的強度分布的光(激發(fā)光)P3的情況進行了例示，但根據(jù)本變形例，可以制作具有其他各種強度分布的光。
[0082]另外，在上述中將從第二相位調制部14輸出的光P3作為平行光，但控制部16也可以將光P3成為發(fā)散光或者會聚光那樣的第二相位圖案賦給第二相位調制部14。
[0083]另外，同樣在圖7所示的構成中，可以如圖6所示在第一相位調制部12與第二相位調制部14之間設置透鏡18。透鏡18將從第一相位調制部12出射的光P2聚光(或擴散)并提供給第二相位調制部14。空間光調制元件能夠實現(xiàn)的透鏡的焦點距離存在下限，但通過這樣組合透鏡18，能夠超過那樣的下限來設定焦點距離。
[0084](第4變形例)
[0085]控制部16分別賦給第一相位調制部12和第二相位調制部14的第一相位圖案和第二相位圖案可以替代上述的實施方式的方法而由以下的方法進行制作。
[0086]首先，為了求出從第二相位調制部14輸出的光P3的相位分布，設定目標圖案Atgt。該目標圖案Atgt是從第二相位調制部14出射的光通過透鏡或者相位的透鏡效果而會聚時所生成的聚光圖案。另外，設定入射到第二相位調制部14的光P2的強度分布I2in(振幅分布A2in)。這樣設定目標圖案Atgt和振幅分布A2in之后，使用例如GS法、OC法這樣的迭代傅立葉法、或者例如ORA法這樣的CGH設計法來求出從第二相位調制部14輸出的光P3的相位分布。還有，振幅分布A2in與光P2的強度分布I2in有如下數(shù)學式(6)所示的關系。
[0087][數(shù)學式6]
[0088]I2in = A2in 12...(6)
[0089]接著，設定應該入射到第一相位調制部12的光P1的強度分布Ilin(振幅分布Alin)。然后，得到強度分布Ilin和I2in(振幅分布Alin和A2in)之后，使用例如GS法、OC法等的迭代傅立葉法或ORA法這樣的CGH設計法來求出包含第一相位調制部12應該表示的相位分布
的第一相位圖案。還有，從第一相位調制部12輸出的光P2的相位分布Φ1(Μ?,在入射到第一相位調制部12的光的波面為平行光的情況下為相位分布，在第二相位調制部14應該表示的相位分布Φ2可以由以下的數(shù)學式(7)求得。
[0090][數(shù)學式7]
[0091]φ2 = Φ 2out- Φ 2in...(7)
[0092]還有，相位分布Φ 2out通過模擬光P2的傳播狀態(tài)來求得。
[0093]就由以上說明的第I實施方式和各變形例的光束整形裝置得到的效果進行說明。
[0094]在第I實施方式和各變形例的光束整形裝置1A(1B)中，將由相位調制型的空間光調制元件分別構成的第一相位調制部12和第二相位調制部14光學結合，使入射光P1入射到第一相位調制部12，從第二相位調制部14取出出射光P3。然后，在第一相位調制部12中表示賦予規(guī)定的強度分布的第一相位圖案，并且使具有該規(guī)定的強度分布的光P2入射到第二相位調制部14，將規(guī)定的相位分布賦給第二相位調制部14，由此得到具有任意截面形狀和強度分布的出力光P3。
[0095]如此，通過使用相位調制型的2個空間光調制元件，不僅可以任意控制相位分布，還可以任意控制強度分布。即，根據(jù)該光束整形裝置1A(1B)，向任意的(動態(tài)的)截面形狀和強度分布的光的變換變得可能。例如，即使是任意的聚光形狀也能夠被聚光，另外，也能夠變更輸入光P1的強度分布并在平行光、會聚光或發(fā)散光的狀態(tài)下輸出光P3。
[0096]另外，如非專利文獻1、2所示的結構，如果將空間光調制元件配置在傅立葉面上，則在使用例如光強度的激光這樣的用途中，在空間光調制元件的一部分光集中，有空間光調制元件的功能下降的擔憂。相對于此，在第I實施方式和各變形例的光束整形裝置1A(1B)中，第二相位調制部14與第一相位調制部12的傅立葉面分離配置(B卩，距離L1^焦點距離f)，且可以令距離L1為任意的長度。因此，能夠抑制構成第二相位調制部14的空間光調制元件的功能的下降。
[0097](第2實施方式)
[0098]圖11是表示本發(fā)明的第2實施方式所涉及的光束整形裝置1C的結構的圖。本實施方式的光束整形裝置1C具備第一相位調制部22、第二相位調制部24和控制部26。第一相位調制部22和第二相位調制部24由反射型的空間光調制元件構成，分別具有光反射面22a和24a。另外，如圖11所示，光束整形裝置1C還可以具有激光光源28、空間濾波器32 (或光束擴展器)、準直透鏡34、以及反射元件即反射鏡36a?36e。
[0099]在本實施方式中，通過以下所述的構造，第二相位調制部24與第一相位調制部22光學結合。即，第二相位調制部24的光反射面24a經由多個反射元件即反射鏡36d和36c而與第一相位調制部22的光反射面22a光學結合，同時與反射鏡36e光學結合。另外,在第一相位調制部22的光反射面22a,經由反射鏡36b和36a而輸入有入射光Pp入射光P1可以通過如下的方式適當?shù)厣?例如從激光光源28出射的激光通過空間濾波器32的聚光透鏡32a和針孔32b而除去波前噪聲或者失真之后，通過準直透鏡34而被平行化。
[0100]控制部26將第一相位圖案和第二相位圖案各個賦給第一相位調制部22和第二相位調制部24各個。具體而言，控制部26將用于驅動空間光調制元件的各像素的電信號(相位圖案)提供給第一相位調制部22和第二相位調制部24。在光束整形裝置1C中，通過這樣地控制部26變更第一相位調制部22和第二相位調制部24的相位圖案，從而能夠輸出具有任意的強度分布和相位分布的光P3。還有，控制部26可以配置在容納有第一相位調制部22和第二相位調制部24的筐體內，或者可以配置在筐體的外部。
[0101]如本實施方式所述，第一相位調制部和第二相位調制部可以由反射型的空間光調制元件構成。在這樣的情況下，也能夠發(fā)揮與前述的第I實施方式同樣的效果。
[0102](變形例)
[0103]圖12是表示作為第2實施方式的一個變形例的光束整形裝置1D的結構的圖。本變形例所涉及的光束整形裝置1D與第2實施方式的不同點在于:第一相位調制部和第二相位調制部的結構。即，在本變形例中，光束整形裝置1D具備一個反射型空間光調制元件30，第一相位調制部和第二相位調制部由單個反射型空間光調制元件30構成，其光反射面30a中的一部分區(qū)域(第一區(qū)域)作為第一相位調制部30b使用，另一個部分區(qū)域(第二區(qū)域)作為第二相位調制部30c使用。在本變形例中，第二相位調制部30c經由反射鏡36d和36c而與第一相位調制部30b光學結合，同時與反射鏡36e光學結合。另外，在第一相位調制部30b，經由反射鏡36b和36a而輸入有平行光即入射光P1。
[0104]控制部26通過將用于驅動空間光調制元件30的各像素的電信號(相位圖案)提供給空間光調制元件30，將第一相位圖案和第二相位圖案各個賦給第一相位調制部30b和第二相位調制部30c各個。在光束整形裝置1D中，通過這樣地控制部26變更第一相位調制部30b和第二相位調制部30c的相位圖案，從而輸出具有任意的強度分布和相位分布的光P3。
[0105]如本變形例所述，第一相位調制部和第二相位調制部可以由相互共有的單個空間光調制元件構成。在這樣的情況下，也能夠發(fā)揮與前述的第I實施方式同樣的效果。
[0106]另外，在第2實施方式或者變形例中，作為光入射出射于第一相位調制部和第二相位調制部的光學系統(tǒng)，除了圖11或圖12所示的結構以外，還可以是各種形態(tài)。例如，可以替代空間濾波器32和準直透鏡34而設置擴展器，反射鏡36a?36e可以置換成例如三角棱鏡這樣的其他光反射光學部件。另外，如圖13所示，也可以是不使用反射鏡的結構。另外，在圖13的結構中，構成第一相位調制部22的反射型空間光調制元件與構成第二相位調制部24的反射型空間光調制元件優(yōu)選以它們的光反射面22a、24a相互平行的方式配置。在該情況下，能夠使入射光和出射光大致平行，能夠使裝置變得比較小型。
[0107]本發(fā)明所涉及的光束整形裝置不限于上述實施方式，可以進行其他各種變形。例如，在上述的實施方式和變形例中，例示了入射到第一相位調制部的光為平行光的情況，但入射到第一相位調制部的光不限于平行光，可以適用各種光。
[0108]另外，在上述的各實施方式中，例示了物鏡作為設置在第二相位調制部的后段的光學部件，但在本發(fā)明所涉及的光束整形裝置的第二相位調制部的后段，不限于設置物鏡，還可以設置各種光學部件。
[0109]另外，在上述的各實施方式中，例示了光束整形裝置具備2個相位調制部(空間光調制元件)的形態(tài)，但本發(fā)明所涉及的光束整形裝置可以具有3個以上的相位調制部(空間光調制元件)。另外，也可以在第二相位調制部14呈現(xiàn)的相位圖案重疊全息圖案。由此，調制成任意的振幅后，也可以調制相位。
[0110]在上述實施方式所涉及的光束整形裝置中，成為如下結構，S卩，具備:第一相位調制部，其由相位調制型的空間光調制元件構成，表示用于調制入射光的相位的第一相位圖案；第二相位調制部，其由相位調制型的空間光調制元件構成，與第一相位調制部光學結合，表示用于進一步調制被第一相位調制部相位調制后的光的相位的第二相位圖案；控制部，其將第一相位圖案和第二相位圖案各個賦給第一相位調制部和第二相位調制部各個，第一相位圖案和第二相位圖案是用于使從第二相位調制部輸出的光的強度分布和相位分布接近于規(guī)定分布的相位圖案。
[0111]另外，光束整形裝置可以成為如下結構:第二相位圖案包含用于使從第二相位調制部輸出的光成為平行光、擴散光或會聚光的相位圖案。
[0112]另外，光束整形裝置可以成為如下結構:與從第二相位調制部輸出的光的光軸方向正交的截面的形狀為多角形狀，該截面中的該光的強度分布為平頂狀。
[0113]另外，光束整形裝置可以成為如下結構:與從第二相位調制部輸出的光的光軸方向正交的截面的形狀為環(huán)狀。
[0114]另外，光束整形裝置可以成為如下結構:第一相位調制部和第二相位調制部分別由反射型空間光調制元件構成。另外，在該情況下，構成第一相位調制部的反射型空間光調制元件與構成第二相位調制部的反射型空間光調制元件以它們的光反射面相互平行的方式配置。
[0115]另外，光束整形裝置可以成為如下結構:第一相位調制部和第二相位調制部由單個反射型空間光調制元件構成，其光反射面中的一部分區(qū)域作為第一相位調制部使用，另一部分區(qū)域作為第二相位調制部使用。
[0116]另外，光束整形裝置可以成為如下結構:具備多個反射元件，第二相位調制部經由多個反射元件而與第一相位調制部光學結合。
[0117]另外，光束整形裝置可以成為如下結構:空間光調制元件是透射型空間光調制元件。
[0118]另外，光束整形裝置可以成為如下結構:第二相位圖案抵消被第一相位調制部相位調制后的光的相位。
[0119]產業(yè)上的可利用性
[0120]本發(fā)明可以作為能夠進行向任意截面形狀和強度分布的光的變換的光束整形裝置來利用。
【權利要求】
1.一種光束整形裝置，其特征在于，具有: 第一相位調制部，其由相位調制型的空間光調制元件構成，表示用于調制入射光的相位的第一相位圖案； 第二相位調制部，其由相位調制型的空間光調制元件構成，與所述第一相位調制部光學結合，表示用于進一步調制被所述第一相位調制部相位調制后的光的相位的第二相位圖案；以及 控制部，其將所述第一相位圖案和所述第二相位圖案各個賦給所述第一相位調制部和所述第二相位調制部各個， 所述第一相位圖案和所述第二相位圖案是用于使從所述第二相位調制部輸出的光的強度分布和相位分布接近于規(guī)定分布的相位圖案。
2.如權利要求1所述的光束整形裝置，其特征在于: 所述第一相位調制部和所述第二相位調制部分別由反射型空間光調制元件構成。
3.如權利要求2所述的光束整形裝置，其特征在于: 構成所述第一相位調制部的所述反射型空間光調制元件與構成所述第二相位調制部的所述反射型空間光調制元件以它們的光反射面相互平行的方式配置。
4.如權利要求1所述的光束整形裝置，其特征在于: 所述第一相位調制部和所述第二相位調制部由單個反射型空間光調制元件構成，其光反射面中的一部分區(qū)域作為所述第一相位調制部使用，另一部分區(qū)域作為所述第二相位調制部使用。
5.如權利要求2?4中的任一項所述的光束整形裝置，其特征在于: 具有多個反射元件，所述第二相位調制部經由所述多個反射元件而與所述第一相位調制部光學結合。
6.如權利要求1所述的光束整形裝置，其特征在于: 所述空間光調制元件是透射型空間光調制元件。
7.如權利要求1?6中的任一項所述的光束整形裝置，其特征在于: 所述第二相位圖案抵消被所述第一相位調制部相位調制后的光的相位。
8.如權利要求1?7中的任一項所述的光束整形裝置，其特征在于: 所述第二相位圖案包含用于使從所述第二相位調制部輸出的光成為平行光、擴散光或會聚光的相位圖案。
9.如權利要求1?8中的任一項所述的光束整形裝置，其特征在于: 與從所述第二相位調制部輸出的光的光軸方向正交的截面的形狀為多角形狀，該截面中的該光的強度分布為平頂狀。
10.如權利要求1?9中的任一項所述的光束整形裝置，其特征在于: 與從所述第二相位調制部輸出的光的光軸方向正交的截面的形狀為環(huán)狀。
【文檔編號】G02F1/01GK104246582SQ201380020916
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年4月18日 優(yōu)先權日:2012年4月20日
【發(fā)明者】松本直也, 井上卓, 瀧口優(yōu) 申請人:浜松光子學株式會社